冷轧卷自动贴标签机器人系统设计

冷轧卷自动贴标签机器人系统设计

于铎

本溪钢铁（集团）信息自动化有限责任公司 辽宁本溪 117021

摘要：为了解决刚下线的冷轧镀锌卷需粘贴带有钢卷信息的标签为下道工序做准备，取代人为效率低、错误率高，而提出一种对冷轧工序成品钢卷自动贴标签工业机器人控制系统的设计。主要包括机器人、机械手、传感器、安全防护系统、安全监护系统、PLC控制系统等核心部分设计及系统功能实现。该系统自投入使用以来，大大提高操作精度及效率，节省劳动力，工序执行更为高效。

关键词：工业机器人；贴标签；系统设计；功能实现

一、系统概述

工业机器人通过总线协议与PLC进行通信，根据钢卷到位信号，机器人把剥标打标机打印出的钢卷标签，通过机器人6轴运动，进行的撕标签、贴标签过程。剥标打印机打印出的钢卷标签信息，是通过冷轧厂二级或上位机系统，通讯下发的钢卷信息，打印到钢卷标签上。贴标签过程通过吸盘吸附（负压形式），贴在等待位的冷轧钢卷上。从而达到机器代替人的全自动高效撕标签，贴标签过程。该设计还包括门禁系统、急停系统、声光报警系统、监控系统等辅助系统。当机器人发生故障时，该系统可以完全剥离，不影响冷轧工序正常运行。

二、现场布局

贴标机器人安装在机组出口鞍座的传动侧。其中机器人、标签打印机安装在安全围栏内紧靠围栏，机器人控制柜及PLC控制柜就近安装，贴标管理机放在现场出口操作室内，操作盘放在操作侧。机器人臂展内安放标签打印机打标、剥标系统。机械手连接氮气气源，传感器、机器人、PLC等设备通过信号电缆、通讯电缆、动力电缆可行性互联。

三、机器人系统

1.贴标签机器人

采用ABB公司的六轴工业机器人，最大负载20KG，最大工作半径2500mm。北方冬季温度低，为满足机器人工作温度（5℃～45℃）要求，机器人本体需加恒温防护服，以保证低温运行，防护服采用特殊面料制成，可应对机器人高频次的运行。防护服带有加热系统及温度控制系统，温度闭环控制。机器人控制柜放置入带空调的电控柜，电控柜恒温以保证柜内各控制模块的正常工作。机器人通过轨迹规划、机械臂的工业控制算法研究，确保其动作的可靠性，

2.机械手

机械手采用真空吸盘吸取产品的形式；夹具由夹具本体、电磁阀、气源处理组件、真空发生器、真空吸附元件、激光扫描装置、PMA管等组成；夹具采用激光测距扫描装置完成钢卷的位置确定；夹具每次吸取1个标签，根据扫描结果进行贴标动作；夹具通过吸附元件与粘贴动作的优化，确保可靠贴标。

四、控制系统

1.人机界面

系统设置1台工业触摸屏安装在PLC柜侧门上，全部受控元件及传感器（电机、气缸、传感器等）都可在人机界面上实时监控，同时将设备的工作状态及报警信息等显示在人机界面上。用于日常巡检和检维修操作，操作形式为触摸+按键。

2.PLC控制系统

控制器采用PLC，设有主从的通讯方式。通过总线与每个远程I/O站进行信号交互；通过硬线和现场总线与L1系统交互控制信号，通过现场总线与轧机二级或上位机系统连接。 CPU模块用于整线的逻辑处理，控制程序采用梯形图方式编程，设有互锁程序，确保设备及人身安全。在设备的传感器或者气缸附近安装远程I/O站，通过现场总线接入到PLC控制系统中，远程I/O站预留10%余量。现场的传感器，执行元件等直接与远程I/O模块连接，增加相应的数字量、模拟量信号采集点。

3.检测元件选型

步进梁到位检测传感器采用接近式传感器。检测距离为4-8mm，防护等级IP67。钢卷有无检测传感器采用对射传感器。检测距离为15米，防护等级IP67。机器人吸取标签后，机械手移动到钢卷外表面侧上方，通过激光传感器测量吸盘到钢卷表面的距离。移动相应距离将标签贴在钢卷外表面上。

4.标签打印机打标、剥标系统

标签打印机具备剥标机构，通过与冷轧厂二级或上位机的信息互联。准确跟踪钢卷位置信息，将下发冷轧钢卷信息打印。打标机剥标后，机器人通过其通讯进行取标吸标过程。同时增设备用打标机1台，备用打标机为自动设备停机时满足手动贴标预留；考虑安全因素，建议在下一工位进行手动贴标。

5.安全防护系统

现场设置安全围栏，加装安全电控门锁，与机器人联锁，安全门打开时，机器人停止工作。就地或远程状态设有“请求进入”按钮，联锁控制门锁，安全门异常开启时，声光报警响起，系统报警。机器人控制柜、PLC柜触摸屏、上位机都包含急停，当急停按下时系统所有设备停止动作，以保证人员安全。

6.安全监控系统

增设监控摄像头（含支架），接入到主控室监控画面，便于远程监控机器人工作状态。当有“活物”到达监控范围内，上位机提示报警。

四．功能实现

    1.机器人执行流程

1).收到钢卷到位信号，标签打印机打印出标签，剥标机构剥离标签粘纸，机器人拾取标签；2).机器人对钢卷端面进行扫描，确认钢卷距离；3).机器人对钢卷端面进行扫描，确定钢卷截面尺寸，确认外圆贴标位置；4).机器人根据扫描结果，确认贴标位置，进行贴标动作。钢卷外部带头压在定位夹具底部，贴标位置在钢卷内卷6点钟方向；5).机器人复位，贴标完成；6).根据传感检测信号以及各系统信息交互，循环执行以上流程。

2.人机界面功能概述

全部受控元件及传感器（电机、气缸、传感器等）都可在人机界面上实时监控，同时将设备的工作状态显示在人机界面上，便于查看。人机界面通过现场总线接入系统中。系统设置全自动/手动模式：当现场操纵箱上的“模式开关”被切换到“本地模式”时，设备将处于手动模式下。此时可通过现场操纵箱上的按钮进行相应的操作，如让机器人移动至维修位或者测试位等。当现场操纵箱上的“模式开关”被切换在“远程模式”时，且人机界面上的旋钮选择为“自动控制”时，设备将处于全自动模式下。当自动运行的条件满足时，机器人将自动按流程完成所有贴标签工作。

五、结语

通过对多关节工业机械臂在钢卷贴标签工业流程上的应用，按照机械臂的激光测距系统、机械臂的轨迹规划、机械臂的工业控制算法等方面探究和系统设计，该系统已经达到全自动的控制效果。该系统投入使用后，已完全取代人工，具有减少人力成本、减少安全问题发生、提高生产效率等优点。

参考文献：

[1]智能制造中的工业机器人技术探析[J]. 路东兴.新疆有色金属,2022(03)

[2]工业机器人抓手气缸状态及动作时间分析[J]. 胡觉醒;乔慧;孟令丰.汽车实用技术,2022(08)

[3]冲压自动化生产线中的工业机器人应用[J]. 樊晓晨.科技创新导报,2016(01)